아주 간단한 아두이노 프로젝트라도 시작이 어려울 수가 있으므로 적은 수량의 전자 부품을 사용하는 간단한 아래의 엘렉트로닉스 배선을 목표로 부품을 수배하고 배선을 빵판에 조립하여 작동을 시켜 보자. 단 여기서도 납땜 작업이 일체 없이 점퍼선으로만 배선한다. 이 배선도는 시중에서 흔하게 볼 수 있는 전자 공작 키트이기도 하다.
이 회로를 제작 실험해 보는 이유는 아두이노를 사용하여 코딩에 의해서 LED를 ON 또는 OFF 시킬 수 가 있는 반면에 순수한 하드웨어 만으로도 비슷한 결과를 얻을 수 있다. 즉 비교의 관점이다.
필요 부품 목록
저항 100KΩ 1개: 330Ω 1개
버튼 스위치 1개
빨간 LED 1개
NPN TR C1815 1개
47μF 전해 콘덴서 1개
9V 건전지
9V전지 커넥터 각 1개
점퍼선 2개
빵판 1개
47μF 전해 콘덴서는 용량이 다른 100μF 이나 220μF 도 무방하다.
트랜지스터(TR)는 반드시 NPN 타입이어야 한다. 굳이 C1815를 못 구하는 경우는 대체해야 하는데 일단 LED 가 ON 될 정도면 무방하다.
100KΩ은 정확하게 숫자를 지키도록 하고 330Ω은 200∼470Ω 범위면 대체 가능하다.
이 부품들을 사용한 빵판에서 실물 연결 배선 상태는 위의 그림과 같다.
다음은 정상적인 전자 회로도이다.
특히 빵판에서 가장자리의 검은 색 박스 친 부분은 길이 방향으로 2줄이 제공되는데 서로 연결되어 있다. 그 중 1줄을 GND 로 사용하고 있는 셈이다.
부품들을 사용하여 사진과 같이 실제 배선 후 앞에 배치된 스위치를 누르면 빨간 LED 가 서서히 켜짐(Fading)을 확인할 수 있다.
이 전자회로를 대상으로 LED ON OFF 라든지 콘덴서가 완전히 충전된 후 뽑고 스위치를 끈 상태에서 다시 끼워 잠깐 빤짝 LED를 ON 시켜 콘덴서의 전기 에너지 저장 능력을 체크할 수 도 있다.
아울러 조건에 따른 각 부품별로 가해지는 전압을 체크하고 전류를 계산하여 TR의 증폭계수를 실험적으로 결정할 수도 있다. 이 단계에서 아두이노 아날로그 핀 A0∼A5 의 아날로그 디지털 변환 기능을 활용할 수 있다.
회로도에서 스위치를 ON 했을 때 전류 흐름을 체크해 보자. 스위칭 작용을 하는 TR이 스위칭 ON 되기 전 까지 전류가 흐르는 경로다. 배터리에서 공급되는 전류의 대부분이 수초 동안 콘덴서 충전에 사용되며 콘덴서가 일부가 TR 베이스 방향 즉 B로 흐르기 시작한다. 굵은 화살표시의 전류는 전류제한 저항 100KΩ에 의해 크기가 상당히 작은 값으로 제한된다.
어느 정도 콘덴서가 충전되어 버리면 흘러들어 오는 전류의 대부분이 TR 베이스로 증가하면서 흐르게 된다.
트랜지스터(TR)는 누르면 이어지는 스위치로 생각하면 된다. 전자공학에서는 누르는 대신 베이스와 에미터 사이 즉 다이오드처럼 PN 접합에 해당하는데 이 부분에 순방향 전압을 0.5V(Threshold: 문턱 전압) 이상 걸어 주면 스위치를 눌러서 ON 시킬 때와 마찬가지로 연결이 이루어진다. 전압이 제거되거나(Threshold 이하 상태) 전압 방향이 바뀌어 버리면 당연히 트랜지스터가 스위치 꺼지듯이 연결이 끊어진다.
정리해보면 TR이 스위칭 되어 콜렉터에서 에미터로 전류가 흐르기 위해서는 베이스와 에미터 사이의 전압 즉 Vbe 가 최소한의 문턱전압(Threshold)을 넘어야 한다. TR의 PN 부분은 결국 다이오드 구조와 유사하며 문턱 전압은 0.5V 또는 그 이상이다.
전압 Vbe가 문턱 전압을 넘어섬에 따라 TR이 스위칭 ON 이 되며 이때에 베이스 전류 Ibe 가 흐르기 시작하고 그 값이 점차 증가하게 된다.
아울러 스위칭 ON 되면 콜렉터에서 에미터로 베이스 전류 Ibe 의 h배에 해당하는 큰 콜렉터 전류가 흐르게 되어 에미터에 배선된 LED 가 점차 밝아지면서 ON된다. 여기서 전류 증폭 상수 h는 10∼20 심지어는 ∼100에 달할 수도 있는 TR의 특성을 나타내는 상수이다.
멀티메터 측정에 의하면 이 갈색 박스 친 부분의 전류제한 저항과 LED에 걸리는 전압은 LED가 ON되어 최대로 밝아졌을 때 2.8V이다. 검은 색 동그라미 친 부분의 전압 즉 Vbe는 약 3V 정도이다.
아두이노 엘렉트로닉스 코딩 과제
이 회로를 대상으로 첫째로 스위치를 끈 상태에서 TR의 에미터 단자와 전류제한 저항이 만나는 점과 건전지 전압이 0V인 GND를 즉 갈색 박스친 부분을 아두이노와 배선 연결하여 아두이노 코딩에 의해서 LED를 ON OFF 해 보도록 하자.
스위치를 끈 상태에서는 갈색 박스 친 부분이 초보자를 위한 아두이노 코딩에서처럼 아두이노의 부품으로 간주할 수 있다.
둘째로 검은 색 동그라미 친 지점과 에서 건전지 전압이 0V인 GND를 아두이노와 배선 연결하여 콘덴서 충전에 따른 전압 값 변동을 아두이노를 이용하여 측정해 보자. 또는 시리얼 플로터 기능을 사용하여 추력해 보는 것도 좋은 방법이다.
곧 별도로 이 예제의 결과를 올린 다음의 블로그를 참조하세요.
아두이노 코딩-26: 트랜지스터 및 LED 엘렉트로닉스 회로 아두이노 코딩에 의한 측정
https://steemit.com/kr/@codingart/26-led